掺Cr类金刚石及其梯度过渡层的制备与性能研究

摘要

类金刚石(DLC)优异的性能使其在工业中的应用受到越来越大的重视。在各种工模具上沉积DLC，可延长其使用寿命、提高工作效率并可改善工作环境。良好的附着性能是膜层工业应用的首要条件。改善具有高内应力的DLC膜层的附着性能，一直是应用研究的热点。通常，采用复合了化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)的技术沉积各种过渡层及掺入金属，以获得附着性能高、综合性能好的DLC膜层。在表面质量要求高、面积大的高精密模具上成膜，常用的直流磁控溅射及电弧沉积得到的DLC膜层均达不到使用要求。采用射频溅射能获得优质膜层，但靶表面形成电压小，沉积率低；利用磁过滤技术沉积大面积膜，控制过程复杂且效率不高。 本文采用结合无灯丝离子源与孪生中频磁控溅射的自动控制镀膜设备ASMBOODMTG沉积了掺铬DLC(Cr-DLC)。以附着性能的研究为主，分别对过渡层及Cr-DLC层两个部分的工艺性能进行了系统的研究。设计沉积了Cr/CrN/CrNC/CrC梯度过渡层；通过调节中频功率、离子源功率、偏压及控制反应气体分压，调整过渡层与Cr-DLC膜层的成分、结构及性能。采用努氏显微硬度计、纳米压痕仪、磨擦磨损实验机、划痕仪、洛氏硬度计测评膜层机械力学性能。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、电子能谱(EDS)、Raman光谱和俄歇深层剥层分别对膜层相组成、微观形貌、成分组成、键结构及梯度成分深层分布进行分析。优化沉积工艺，获得附着性能良好的膜层；建立工艺参数、膜层微观结构与性能三者之间的联系。 实验在冷作模具钢Crl2MoV上沉积了附着性能好、表面质量高、厚度与成分均匀统一的Cr-DLC。梯度过渡层有效的改善了膜层附着性能。由研究结果可知： 在所选范围内，界面层的工艺控制对过渡层的附着性能影响较大。界面Cr层：Cr层的沉积2min、离子源电流为4A、中频功率6.5KW；梯度层：偏压采用100V，中频功率6.5kW，真空度采用0.6Pa，过渡层最优附着力为40.9N。 在附着性能较好的过渡层上沉积了Cr-DLC。中频功率采用3kW，CH<,4>/Ar流量比为100/150时沉积得到的膜层附着性能最优。CH<,4>/Ar流量比的调控对附着性能的影响较大。总膜层附着力达到了50N以上。膜层复合硬度最大值为24.8GPa，纳米硬度值在9到11GPa之间，弹性模量最大值为197GPa，平均摩擦因数在0.1到0.24之间，最小值达0.109。界面处为很薄的金属Cr层，过渡层为柱状晶层，Cr-DLC为无定形结构。膜层中sp<'2>与sp<'2>杂化键混合存在。随CH<,4>/Ar的流量比提高sp<'2>键增多。随中频功率提高sp<'2>键减少。成分分布分析证明了过渡层多层梯度结构。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章综述

第二章实验方案与样品制备

2.1实验方案

2.1.1过渡层实验方案

2.1.2掺Cr类金刚石层实验方案

2.2实验设备与样品制备

2.2.1实验设备

2.2.2样品制备

2.3表征方法

2.3.1厚度分析

2.3.2显微硬度分析

2.3.3纳米硬度计分析

2.3.4附着性能分析

2.3.5摩擦磨损分析

2.3.6X射线衍射分析(XRD)

2.3.7微观结构及成分分析(EDS)

2.3.8 Raman光谱分析

2.3.9俄歇电子能谱成分深层分布分析（AES）

第三章过渡层性能、结构及工艺分析与讨论

3.1附着性能

3.1.1梯度层实验附着性能

3.1.2界面Cr层实验附着性能

3.2机械力学性能

3.2.1膜层厚度工艺正交分析

3.2.2膜层硬度工艺正交分析

3.3形貌及微观结构

3.3.1膜层SEM形貌

3.3.2膜层成分及相组成

3.4小结

第四章掺Cr类金刚石层性能、结构及工艺分析与讨论

4.1附着性能

4.1.1 CH4/Ar流量对附着性能的影响

4.1.2MF功率对附着性能的影响

4.1.3不同粗糙度基底膜层附着性能

4.2机械力学性能

4.2.1膜层厚度与复合硬度

4.2.2膜层弹性模量与纳米硬度

4.2.3膜层摩擦性能

4.3形貌及微观结构

4.3.1膜层形貌及相对成分

4.3.2膜层Raman分析

4.3.3膜层Auger分析成分深层分布

4.4小结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果